石墨炔多功能器件第一性原理设计及电荷传输机理

The allotrope of carbon, which has a sp hybridized state, is considered to have excellent electrical and optoelectronic properties and to be the key material for the next generation electronic and optoelectronic devices. The graphyne is the first new allotrope of carbon allotropes formed from the three hybrid state of sp, sp2 and sp3. It is a stable two-dimensional atomic crystal, which shows lots of exotic electronic properties. In addition, graphyne has larger “pores” than graphene has, which can be doped into N or P type semiconductor more easily. We predict that graphyne can be fabricated into a multifunctional molecular device. But at present, the study on the electromagnetic and transport properties of graphyne is far from comprehensive, whether in the experiment or in theory. Especially, the concept of multifunctional devices at molecular scale has just been brought up. In this project, the electromagnetic properties, the transport properties and the charge transport mechanism of graphene will be studied by the first-principle method of density functional theory, with a prospect of finding a multifunctional electronic device such as switches, rectification, spin filter, etc. This kind of multifunctional device can reduce the cutting problem caused by the integration of electronic devices, which will greatly reduce the industrial cost, increase the integration of the device, and open up a new direction for the development of the industry. Our study will provide some theoretical guidance and basis for the experimental study of the multi- functional devices with graphyne.

具有sp杂化态的碳的同素异形体，被认为具备优异的电学和光电性能而将成为下一代新的电子和光电子器件的关键材料。石墨炔是第一个以sp、sp2和sp3三种杂化态形成的新的碳同素异形体，是稳定的二维原子晶体，表现出许多奇特的电磁特性。此外石墨炔拥有比石墨烯更大的"孔眼"，易掺杂成N或P型半导体。我们预言石墨炔可以制作成多功能分子器件。但目前对石墨炔电磁性质和输运性质的研究不管是实验上还是理论上，都还远远不够全面, 分子尺度多功能器件概念更是刚刚被提及。本项目采用密度泛函理论第一性原理方法，研究石墨炔纳米带的电磁特性、输运性质及电荷输运机理，旨在石墨炔中找到同时具有多种功能（如分子开关、二极管和自旋过滤）的电子器件。这种多功能分子器件可以减少器件集成所带来的切割问题，将大大节省工业成本，增加器件的集成度，开辟纳米电子器件产业的新方向。此研究将为石墨炔多功能器件的实验研究提供一些理论指导和依据。

分子尺度多功能器件是指由单分子构成的器件同时具有两种或者两种以上功能的器件，如同时具有自旋过滤和巨磁致电阻功能。到目前为止，由于分子器件输运性质的特殊性，分子尺度多功能器件目前的研究仍然不多。本项目采用密度泛函理论第一性原理方法，研究石墨炔及二维材料的的电磁特性、输运性质及电荷输运机理，旨在找到同时具有多种功能的电子器件。研究主要包括：1）研究了分子的长度及氢化程度对分子线的电导影响和通过改变氢化程度设计了非对称的苯环链，得到了很好的整流效应。这个效应在未来的分子器件中可以制作成二极管。2）提出了一种在铁磁性锯齿型石墨烯纳米带中引入反点，利用自旋Seebeck效应产生纯自旋电流的方案，得到了两个符号相反的自旋通道的Seebeck热波，从而得到两个自旋通道的方向相反的电流。这在自旋电子器件中有着重要的应用前景。3）系统地研究了二维C3N带及其相应的氢钝化纳米带叠放在Ni电极时的自旋极化特性。观察到其由半导体转变到金属的自旋过滤效应和正磁致电阻效应。当二维C3N纳米片变成氢钝化的纳米带时，自旋极化效果得到了增强并出现了负磁致电阻效应。表明C3N纳米片在纳米自旋电子学中具有很强的应用潜力。4）提出了一种用石墨烯纳米带构建光电纯自旋流器件的方案，保证了光照一定会产生纯自旋流，且纯自旋流不依赖于光子能量和偏振角，从而更有利于实际应用，这将在自旋电子学中具有重要意义。以上研究可以为多功能器件的实验研究提供一些理论指导和依据，进而可以减少器件集成所带来的切割问题，将大大节省工业成本，增加器件的集成度，开辟纳米电子器件产业的新方向。今后我们将在类二维材料中加深对多功能器件的研究，并将二维材料的输运性质从整流器件，自旋器件拓宽至光电器件，如光电自旋过滤器件，光电纯自旋流器件，向着器件节能的方向发展。